Brain-inspired computing proposes a set of algorithmic principles that hold promise for advancing artificial intelligence. They endow systems with self learning capabilities, efficient energy usage, and high storage capacity. A core concept that lies at the heart of brain computation is sequence learning and prediction. This form of computation is essential for almost all our daily tasks such as movement generation, perception, and language. Understanding how the brain performs such a computation is not only important to advance neuroscience but also to pave the way to new technological brain-inspired applications. A previously developed spiking neural network implementation of sequence prediction and recall learns complex, high-order sequences in an unsupervised manner by local, biologically inspired plasticity rules. An emerging type of hardware that holds promise for efficiently running this type of algorithm is neuromorphic hardware. It emulates the way the brain processes information and maps neurons and synapses directly into a physical substrate. Memristive devices have been identified as potential synaptic elements in neuromorphic hardware. In particular, redox-induced resistive random access memories (ReRAM) devices stand out at many aspects. They permit scalability, are energy efficient and fast, and can implement biological plasticity rules. In this work, we study the feasibility of using ReRAM devices as a replacement of the biological synapses in the sequence learning model. We implement and simulate the model including the ReRAM plasticity using the neural simulator NEST. We investigate the effect of different device properties on the performance characteristics of the sequence learning model, and demonstrate resilience with respect to different on-off ratios, conductance resolutions, device variability, and synaptic failure.


翻译:由大脑启发的计算提出了一套有希望推进人工智能的算法原则。 它们具有自我学习能力、高效能源使用和高存储能力。 一个核心概念是大脑计算的核心特征是序列学习和预测。 这种计算形式对于我们几乎所有日常任务, 如运动生成、感知和语言, 都至关重要。 了解大脑如何进行这种计算不仅对推进神经科学很重要, 也为进入新的技术大脑启发应用铺平道路。 一个以前开发的神经网络实施序列预测, 并用本地的、 生物启发的塑料规则, 以不受监督的方式学习复杂、 高度序列序列序列。 一个新兴的硬件类型, 预示着高效运行这种类型的算法是神经形态的硬件。 它模仿了大脑处理信息的方式, 将神经和神经神经神经神经神经特征直接映射到物理下层。 记忆装置被确定为神经变形硬件中潜在的模型合成元素。 具体来说, 红氧化诱导的随机访问存储器( ReRAM) 在许多方面都以不受监督的方式学习 。 它们允许对神经变形结构的特性进行快速的演化, 学习, 在生物变动中, 我们的演化过程中, 快速的演化过程的动作的演化过程的演化过程, 我们的演化过程的演化过程的演化, 我们的演化过程的演化过程的演化过程的演化, 我们的演化过程的演化过程的演化过程的演化, 我们的演化过程的演的演的演的演化过程的演化, 我们的演化, 学习的演化, 的演化过程的演化, 我们的演化过程的演化过程的演化过程的演化过程的演化, 的演化, 的演化, 我们的演化, 的演化的演化过程的演化, 的演化, 的演化, 的演的演化的演化过程的演的演化, 的演化过程的演化过程的演化的演化过程的演的演化, 的演化, 的演化的演化的演化的演化的演化的演化的演化的演化的演化的演化性能性能的演化的演化的演化的演化的演化,

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